電力電纜工頻電壓試驗設備的選擇與應用

朱世榮，張光武

(1.福建南平市中心檢驗所，福建南平353000;2.浙江省質量技術監督檢測研究院，浙江杭州310013)

0 引言

工頻電壓試驗設備是電力電纜局部放電試驗和交流電壓試驗的高壓主設備，在GB12706—2008標準中［1］，局部放電試驗和交流電壓試驗作為成品電纜的重要檢驗項目，其最高試驗電壓為104 kV，因此，試驗設備技術要求高，制造工藝復雜，其價格十分昂貴。目前，常用的工頻電壓試驗設備有變壓器式和串聯諧振兩種，由于兩種變壓方式各有其技術特點，因此，應根據自身試品需要，選擇不同的試驗設備。

1 工頻電壓試驗設備結構和工作原理

1.1 設備結構

變壓器式工頻電壓試驗設備常見結構見圖1，其中，試驗高壓由試驗變壓器升壓實現，調壓設備調節試驗電壓的大小。

串聯諧振工頻電壓試驗設備常見結構見圖2，其中，試驗高壓由勵磁變壓器和串聯諧振兩級升壓實現。

圖1 變壓器式工頻電壓試驗設備結構框圖

圖2 串聯諧振工頻電壓試驗設備結構框圖

以上兩種升壓方式均可根據試驗需要，通過測量和控制儀器的工作狀態選擇進行局部放電試驗或交流電壓試驗，工作頻率為工頻50 Hz。

1.2 工作原理

電纜在局部放電試驗和交流電壓試驗時為容性負載，因此以下工作原理以容性負載分析。

(1)變壓器式工作原理。采用一次線圈與二次線圈間電磁感應或同線圈帶抽頭自感來變換電壓，電路模型見圖3。其電壓、電流、容量的計算式為:

式中，Uc為試驗電壓(即輸出電壓);Us為試驗變壓器的輸入電壓;k為一次線圈與二次線圈的匝數比(即變壓器的變比);Ic為輸出電流;R為高壓回路保護電阻值;ω 為角頻率，ω =2πf，f=50 Hz;Cx為被測試樣電容量;Ss為輸入容量;Sc為輸出容量。

圖3 變壓器式電路模型

(2)串聯諧振工作原理。串聯諧振又稱電壓諧振，它是RLC串聯電路，其電路模型見圖4。當調節電抗器電感與回路容抗相等時，電路將產生諧振，此時:

式中，L為電抗器電感。

在諧振狀態下:

式中，R′為回路有功損耗的等效電阻，其阻值很小;Q為諧振回路的品質因數，Q=ωL/R′。

由Sc=QSs可知，輸出容量為輸入容量的Q倍，從而實現較小電源輸入容量獲得較大的試驗容量。

圖4 串聯諧振電路模型

2 電纜無功功率的計算

從資料中查閱所得的交聯聚乙烯絕緣電力電纜(以下簡稱交聯電纜)電容標準值，見表1。

GB/T 3048—2007 標準規定［2］，電纜的型式試驗應按產品標準規定取短段電纜試樣，例行試驗應在制造長度的電纜產品上進行。電纜電容量Cx隨電纜規格和長度的增大而增大，規格和長度不同，電纜的無功功率差別也很大。

例1，額定電壓26/35 kV，630mm2的交聯電纜，當長度為2 km，試驗電壓為2.5 U0其無功功率W為:

W=2.5U0Ic=(2.5U0)2ωCx=(2.5 ×26)2×2 ×3.14×50×0.2533×2=672.1 kVA

表1 交聯電纜電容Cx標準值

例2，與上述同規格的額定電壓26/35 kV，630mm2的交聯電纜，當電纜試樣長度為15 m，試驗電壓為4 U0，其無功功率W為:

由此可知，同規格的電纜試樣長度不同，其無功功率相差很大。

3 工頻電壓試驗設備的選擇

受電源容量和設備造價等因素限制，35 kV交聯電纜的工頻電壓試驗設備的設計額定容量一般不超過100 kVA，設計額定電壓一般為120～150 kV，此外，為了防止外部(如無線電、雜波等)干擾和保證試驗安全，設備安裝時還應配套建造屏蔽房、絕緣地坪和不大于1 Ω的接地裝置等設施。

(1)變壓器式工頻電壓設備。由于設計的額定容量一般不超過100 kVA，其試驗時的額定輸出容量更小，對于長電纜試樣，由于輸出容量和回路電流要求很大，因此，必須增大回路導線和變壓器線圈的導體截面積，以及增大電源、保護電阻等其它元件的額定容量，這將導致試驗變壓器和其它元件的體積十分龐大，設備造價也將成倍增長。

此外，大電流工作時升壓起始階段會導致波形畸變和三次、五次諧波的產生，這些均對電壓測量帶來困難。因此，變壓器式工頻電壓試驗設備并不適用于長電纜試樣的測試。

對于短段試樣這種試驗輸出容量要求較小時，變壓器式電壓試驗設備具有以下優點:1)結構簡單，設備造價低;2)調壓方便，容易控制，調壓過程簡單直觀;3)試驗電壓波形與電源基本一致。

(2)串聯諧振工頻電壓試驗設備。通常在設備設計時，諧振品質因數Q一般為40～80，電源額定容量30～60 kVA，可提供的試驗額定容量在1200 kVA以上。串聯諧振電壓試驗設備具有以下優點:1)對電源容量的要求僅為額定輸出容量的1/Q;2)試樣擊穿時會有過電壓、過電流發生，即失諧，不需使用保護電阻;3)工頻正弦波諧振時，由于諧波頻率與諧振頻率不一致，諧波在串聯諧振回路中不產生諧振，因此，回路對諧波具有阻塞作用，輸出電壓正弦波波形較好;4)多極運行很方便，串聯時電壓分布均勻;5)試樣擊穿時痕跡很小，可供分析研究。

其在長、短樣電纜的試驗中均適用，但造價高于變壓器式，調壓過程需調諧后才能升壓，過程較復雜，且被測電纜電容量與電抗不匹配時無法調諧，測量無法進行，因此，串聯諧振電壓設備更多使用于長電纜試樣。

4 結束語

由于檢驗機構在電纜檢驗中主要進行短段試樣的型式試驗，且受試驗室場地的局限，通常很少配備長電纜試樣搬運安裝所需的龍門吊、叉車等設備，因此，檢驗機構適合選擇價格較低的變壓器式工頻電壓試驗設備。電纜生產企業更多的是進行成圈電纜的出廠例行試驗，因此應選擇串聯諧振電壓試驗設備。

［1］GB 12706—2008額定電壓1 kV到35 kV擠包絕緣電力電纜及附件［S］.

［2］GB/T 3048—2007電線電纜電性能試驗方法［S］.